目录一、总体 (2)二、机械结构设计 (3)1、脉冲当量和传动比的确定 (3)2、机械部件(工作台)总体尺寸 (3)3、工作载荷分析及计算 (4)4、滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (5)5、导轨的选型和计算 (10)6、联轴器的选择及计算 (11)7、传动系统等效转动惯量计算 (12)8、步进电机的选用 (13)三、控制系统设计 (18)1、控制系统硬件的基本组成 (18)2、接口程序初始化及步进电机控制程序 (19)3、直线圆弧插补程序设计………………………………………………………22参考文献 (30)一、 总体1、总体参数设计一个数控XY 工作台及其控制系统。
该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。
已知的设计参数如下：2、开、半闭、闭环选择开环伺服系统——步进电机驱动——没有检测装置半闭环伺服系统——交流或直流伺服电机驱动——脉冲编码器——速度反馈 闭环伺服系统——交流或直流伺服电机驱动——位置检测装置——位置反馈 本设计采用开环步进电机驱动。
3、传动初步设计电动机——联轴器——滚珠丝杠——工作台4、系统组成框图大致确定为：控制、接口、驱动、传动再到执行。
即为XY →→→→控制器接口电路驱动装置传动机构工作台5、机械传动系统简图X 轴与Y 轴的传动系统简图都如图所示二、机械结构设计1、脉冲当量和传动比的确定1.1、脉冲当量的确定根据机床或工作台进给系统所需要的定位精度来选定脉冲当量。
考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。
本次设计给定脉冲当量 为0.01mm 。
1.2、传动比的确定传动比计算公式：Pb Li δθ3600=专业课课程设计指导书（2－1） 其中：b θ为步进电机的步距角，0L 为滚珠丝杠导程，P δ为系统脉冲当量。
根据传动设计，采用联轴器，初选电机步距角︒=9.0b θ，丝杠导程mm L 40=，mm P 01.0=δ。
则其传动比101.036049.03600=⨯⨯==P b L i δθ 2、机械部件(工作台)总体尺寸由于工作台的加工范围为X ＝200mm ，Y ＝150mm 。
工作台尺寸一般为工作台加工范p δ围的1.1倍。
所以：X＝200×1.1＝220mm, Y ＝150×1.1＝165mm ，其厚度初定为30mm 。
选择工作台的型槽为T 型槽，查电子版《袖珍机械设计师手册》中的T 型槽和相应螺栓(摘自GB/T158-1996) 表3-25T 型槽和相应螺栓尺寸，可得所选T 型槽的参数：A ＝10mmB ＝18mmC ＝8mm H ＝21mm 间距取50mm一取工作台厚度为T 型槽厚度的2倍，即2×21＝42mm 。
工作台质量：333307.8102751022010421019.82M kg ρν---==⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=,即纵向丝杠所承受的质量。
在工作台上的工件和夹具的质量估计为160M kg =所以总的移动部件的重量为0119.826079.8280M M M kg kg kg =+=+=≈3、工作载荷分析及计算3.1销削力的分析与计算铣削运动的主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。
根据《机械制造技术基础课程设计指导教程》选铣刀。
由表3－16，根据最大铣刀直径d ＝20mm ，最大铣削宽度10e a mm =，最大铣削深度5p a mm =选择莫氏锥柄立铣刀，立铣刀各参数如下：由表5－11 高速钢立铣刀铣平面的铣削进给量中选取 ，由专业课课程设计指导书表2－2查得高速钢铣刀铣削力公式，选定铣刀转速min /600r n =，由专业课课程设计指导书表2－3查得切削力公式中铣削力系数)/(07.0z mm a f =2.68=Fz C ，因此铣削力z F 为：由表2－1和表2－2中f a 表示每齿进给量)/(齿mm ，即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量，每齿进给量f a 、每转进给量)/(r mm f 和工作台进给速度v 三者之间的关系为 min)/(mm zn a v f = 式中z 为铣刀齿数，n 为铣刀转速min)/(r可得工作台进给速度min)/(126min)/(600307.0mm mm zn a v f =⨯⨯==3.2进给工作台工作载荷计算作用在工作台上的合力F '与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力F 大小相同，方向相反，合力F '就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给力方向载荷L F ，工作台横向进给方向载荷C F 和工作台垂直进给方向载荷V F 。
工作台工作载荷L F 、C F 和V F 与铣刀的切向铣削力z F 之间有一定的经验比值。
因此，根据专业课课程设计指导书表2－4，查工作台载荷与切向铣削力的经验比值：求出z F 后，根据最大的经验比算，即可计算出工作台的计算载荷L F 、V F 和C F 。
11538.12977.21L z F F N=⨯=⨯=Za d a a C F p feFz z ⋅⋅⋅⋅⋅=-86.0072.086.081.90.860.720.869.8168.2100.072043-=⨯⨯⨯⨯⨯⨯814.32N=0.20.2814.34325.74C z F F N ==⨯= 0.40.4813.34651.47V z F F N ==⨯=4、滚珠丝杠螺母副的选型和校核4.1滚珠丝杠螺母副类型选择4.1.1主要类型采用回珠器处在螺母之内的钢珠内循环方式，另外，为了消除间隙和提高滚珠丝杠副的钢度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，初步选用垫片预紧式。
4.1.2主要参数及代号4.1.2.1滚珠丝杠副的主要参数①公称直径m d ，数控机床常用的进给丝杠的公称直径m d 为mm 30φ至mm 80φ，但这是X-Y 工作台，m d 不用太大，初选020d mm =。
②基本导程(螺距)0L ，由步距角︒=9.0b θ、脉冲当量脉冲/01.0mm P =δ和传动比1=i 确定mm i L b p 4/3600==θδ。
③精度等级，一般选用4级~7级，数控机床及精密机械可选用2级~3级。
它是滚珠丝杠副的重要指标，直接影响定位精度、承载能力和接触刚度。
4.1.2.2滚珠丝杠副的标注查专业课课程设计指导书丝杠的特征代号见表2-6，初步选择滚珠丝杠副为FDM1604-3，导轨面的硬度为58~64HRC 。
查《机械设计手册》第三版第3卷成大先主编 表12-1-17 其具体参数如下：4.2滚珠丝杠螺母副的型号选择及校核步骤4.2.1最大工作载荷滚珠丝杠上的工作载荷)(N F m 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫进给牵引力。
m F 采用实验公式计算，对于三角形或综合导轨)('G F f KF F V L m ++= 专业课课程设计指导书（2-12）式中：L F 为工作台纵向进给力方向载荷，V F 为工作台垂直进给方向载荷，G 为移动部件的重力（N ），K 和'f 分别为考虑颠覆力距影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，对于三角形或综合导轨K ＝1.15，滚动导轨005.0~0025.0'=f ，取004.0'=f 。
所以：'() 1.15814.340.004(651.478010)1356.02m L V F KF f F G N =++=⨯+⨯+⨯=4.2.2最大动负载C 的计算及主要尺寸初选 滚动丝杠最大动载荷C 可用下式计算：m m F f L C 3= 专业课课程设计指导书（2-14）式中：L 为工作寿命，单位为r 610，610/60nt L =；n 为丝杠转速min)/(r ，0/1000L v n =；v 为最大切削力条件下的进给速度min)/(m ，0L 为所预选的滚珠丝杠的导程，待刚度验算后再确定；t 为额定使用寿命（h ），可取t=15000h ；m f 为运转状态系数，无冲击取1~1.2，一般情况取1.2~1.5，有冲击振动取1.5~2.5；m F 为滚珠丝杠工作载荷（N ）。
初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷a C 不得小于最大动载荷C ；C C a >。
取1.1=m f ，而工作台进给速度min)/(126mm v =，则工作寿命L ：)10(35.28410/150001266010/10006010/6066066r L vt nt L =⨯⨯⨯=⨯==则 1.11356.024710.8m m C F N N⨯=因为8.2a C kN C =>，所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。
4.2.3传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率η为：)tan(tan ϕλλη+= 专业课课程设计指导书（2-15）其中，λ为丝杠螺旋升角，可由00arctan arctan 41.21016L d λππ===︒⨯⨯，ϕ为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数004.0~003.0=f ，其摩擦角约等于'10。
tan tan1.201100%100%87.87%tan()tan(1.21010)ληλφ︒=⨯=⨯='+︒+滚珠丝杠副的传动效率较高，一般取0.8~0.9之间，可知，上式传动效率计算有效。
4.2.4刚度验算4.2.4.1丝杠的拉压变形量1δ滚珠丝杠计算满载时拉压变形量：EALF m ±=1δ 专业课课程设计指导书（2-15） 其中：1δ为在工作载荷m F 作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量)(mm ，m F 为丝杠的工作载荷)(N ，L 为滚珠丝杠在支承件的受力长度)(mm ，取mm L 400=，E 为材料弹性模量，对钢Mpa E 4106.20⨯=，A 为滚珠丝杠按内径确定的截面积)(2mm ，22217.5()()376.6822d A mm ππ==⨯=，“+”号用于拉伸，“-”号用于压缩。
则 141356.024000.0066920.610376.68m F L mm EA δ⨯=±=±=⨯⨯ 4.2.4.2滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2δ该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠长度无关。
有预紧时，可以使用下式计算：)(0013.0322mm ZF D F YJ w m∑=δ 专业课课程设计指导书（2-17）其中：w D 为滚珠直径)(mm ，∑Z 为滚珠总数量列数圈数⨯⨯=∑Z Z ，Z 为一圈的滚珠数，，)(3)/(0内循环＝-w D d Z π，0d 为滚珠丝杠的公称直径)(mm ，YJ F 为预紧力)8.91(N kgf kgf =，，m F 为滚珠丝杠的工作载荷)8.91(N kgf kgf =， 查表可得381.2=w D0(/)3()20/3317.934w Z d D ππ-=⨯-=＝内循环17.64332107Z Z ∑=⨯⨯=⨯⨯≈圈数列数1356.02/10135.602m F kgf kgf ==，11135.602/1046.12333YJ m F F kgf kgf ==⨯=20.00130.00154mm δ===由于当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，2δ值可减少一半左右。